Les travaux pluridisciplinaires de cette thèse, contribuent à deux domaines : les Interfaces Homme-Machine (IHM), en particulier la Réalité Augmentée (RA), et les Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur (GMCAO), domaine concret de mise en oeuvre de la RA. La contribution est double : d'une part elle enrichit et organise les concepts d'IHM pour la RA en adoptant un point de vue centré sur la tâche, et d'autre part elle améliore l'utilisabilité par les cliniciens des systèmes de GMCAO. La fusion du monde réel et du monde virtuel ouvre des voies nouvelles pour la conception de systèmes de RA, comme les systèmes de GMCAO. Mais les limites sont mal cernées. Dans ce contexte, nous avons identifié des caractéristiques intrinsèques des systèmes de RA et établi un espace taxinomique. Afin de caractériser plus finement la dualité de l'interaction (Utilisateur-Monde Réel et Utilisateur-Monde Virtuel), nous avons défini la notation ASUR. Pour décrire l'interaction, ASUR identifie les entités intervenant dans le système, en particulier les adaptateurs, composants ASUR réalisant le lien entre les deux mondes. L'utilisation d'ASUR, par ces aspects descriptifs, taxinomiques et conceptuels constitue la base de notre démarche de conception ergonomique et logicielle de systèmes de RA. Cette démarche se fonde en outre sur l'étude de propriétés ergonomiques au sein de la description ASUR d'un système et sur l'adaptation du modèle d'architecture PAC-Amodeus aux systèmes de RA. En collaboration avec le chirurgien, nous avons appliqué et testé nos résultats méthodologiques sur une application concrète de chirurgie cardiaque. Cette application, CASPER, assiste le chirurgien lors de la réalisation d'une ponction péricardique, en lui procurant des informations de guidage du geste clinique sur un écran. Une re-conception de CASPER nous a amené à implémenter un casque semi-transparent permettant de visualiser ces informations directement sur le patient.

Mesure de la fonction de transfert de modulation du système optique de l'oeil. Problème de la réflexion rétinienne. Définition de la jonction.

Nous présentons un système de tracking optique-inertiel qui consiste en deux caméras stationnaires et une Sensor Unit avec des marqueurs optiques et une centrale inertielle. La Sensor Unit est fixée sur l'objet suivi et sa position et orientation sont déterminées par un algorithme de fusion de données. Le système de tracking est destiné à asservir un outil à main dans un système de chirurgie naviguée ou assistée par ordinateur. L'algorithme de fusion de données intègre les données des différents capteurs, c'est-à-dire les données optiques des caméras et les données inertielles des accéléromètres et gyroscopes. Nous présentons différents algorithmes qui rendent possible un tracking à grande bande passante avec au moins 200Hz avec des temps de latence bas grâce à une approche directe et des filtres dits invariants qui prennent en compte les symmétries du système. Grâce à ces propriétés, le système de tracking satisfait les conditions pour l'application désirée. Le système a été implementé et testé avec succès avec un dispositif expérimental.

Dans cette thèse, nous proposons un ensemble d'outils nécessaires à l'élaboration d'un simulateur de chirurgie. Dans un premier temps, nous définissons plusieurs modèles déformables physiques temps réels permettant de simuler les déformations et la découpe d'organes du corps humain. Ces modèles s'appuient sur la théorie de l'élasticité et la méthode des éléments finis. Nous avons tout d'abord travaillé sur l'enrichissement du modèle élastique linéaire en le généralisant au cas des matériaux dont le comportement est anisotrope, soit en raison de la présence de fibres (muscles, tendons), soit parce qu'ils sont entourés d'une peau (capsule de Glisson pour le foie). Cependant, la principale limitation de l'élasticité linéaire est de n'être valable que dans l'hypothèse de petits déplacements. Nous proposons donc un nouveau modèle déformable mettant en oeuvre l'élasticité non-linéaire de St Venant-Kirchhoff, qui reste valable pour les grands déplacements. Après avoir étendu ce modèle aux matériaux anisotropes, nous proposons plusieurs méthodes d'optimisation des calculs, soit en utilisant un algorithme adaptatif qui combine les modèles linéaires et non-linéaires, soit à partir d'une nouvelle formulation. La seconde partie de ces travaux porte sur la simulation des interactions entre les instruments chirurgicaux et les organes virtuels. Pour cela, nous avons modélisé les contacts, ainsi que certaines actions spécifiques comme le glissement, la préhension et la découpe. De plus, nous nous sommes intéressés aux problèmes liés à l'utilisation d'interfaces à retour d'effort.

Zahlreiche chirurgische Assistenzsysteme sind in der klinischen Praxis im Einsatz, um die Genauigkeit und Sicherheit medizinischer Eingriffe zu erhöhen. Die Verwendung von Bildgebungsverfahren durch solche Systeme und die Teilautomatisierung von Prozessen kann einen weiteren Schritt in Richtung höherer Effizienz chirurgischer Interventionen und höherer Patientensicherheit darstellen. Dies stellt jedoch große Herausforderungen an die Systementwickler, welche zur Evaluation dieser Systeme während der Konstruktion geeignete Konzepte und Testmethoden benötigen. Diese Arbeit hat zwei wesentliche Zielsetzungen: Zum einen soll vorgestellt werden, wie zur zielführenden Entwicklung eines duplexsonographisch geführten, semiautomatisch arbeitenden Assistenzsystems zur Gefäßpräparation (ASTMA-System) ein anthropomorphes, physiologisches Phantom anhand zuvor definierter, für die Entwicklung relevanter, Anforderungen konstruiert wurde. Dieses ermöglichte es, die Arbeitsprozesse des Systems und deren Eignung bereits in vitro umfangreich zu testen. Zum andern soll dargestellt werden, wie das Phantom hinsichtlich dieser Anforderungen in einer Studie validiert wurde, um zu gewährleisten, dass dieses für die Systementwicklung erforderliche Eigenschaften aufwies. Dadurch konnten wichtige Informationen über Nutzen und Limitierung der Verwendung des Phantoms und mögliche Probleme des ASTMA-Systems gewonnen werden. Hiermit soll demonstriert werden, wie ein Entwicklungs- und Validierungsansatz für ein Phantom als Testsystem zur Entwicklung und Evaluation ähnlicher komplexer medizintechnischer Systeme mit intraoperativer Bildgebung gestaltet werden kann und welchen Anforderungen solche Phantome genügen sollten. Dies kann dabei helfen, die Systementwicklung zielführend und ressourceneffizient durchzuführen, Probleme bereits während früher Entwicklungsschritte aufzudecken und zu lösen und die Eignung des Verfahrens des entwickelten Systems zu beurteilen.

On définit le syndrome d'apnées obstructives du sommeil (SAOS) par la survenue d'épisodes anormalement fréquents d'obstruction des voies aériennes supérieures pendant le sommeil. Ce syndrome, qui affecte environ 3% de la population adulte, est potentiellement grave, à l'origine de troubles cardio-vasculaires ou d'accidents imputables à la somnolence. Après avoir défini les modalités thérapeutiques du SAOS, et notamment les traitements de référence (ventilation en pression positive continue, mesures hygiéno-diététiques) cette thèse s'articule autour des 3 axes thérapeutiques du SAOS par avancée mandibulaire : l'avancée mandibulaire réversible, par orthèse (OAM), en tant que traitement symptomatique de l'adulte ; l'avancée maxillo-mandibulaire chirurgicale (AMM), proposée en tant que traitement curatif, et enfin le traitement orthopédique de la rétrognathie mandibulaire, en tant que traitement interceptif chez l'enfant. Les résultats de différentes études originales sont présentés : une étude pilote de mesures des forces générées par l'OAM chez l'adulte (1), la comparaison de l'efficacité de l'OAM par rapport à l'AMM sur un échantillon de 25 patients successivement traités (2), l'évaluation des modifications du profil cutané induites par l'AMM, pour déterminer des facteurs prédictifs du résultat esthétique (3) et la mise au point de protocoles orthodontiques spécifiques préalable à l'AMM, à partir d'une cohorte de 70 patients (4). Le traitement par avancée mandibulaire présente ainsi des interactions nombreuses avec l'orthopédie dento-faciale, que ce soit dans l'analyse de l'équilibre architectural du patient, celle des effets secondaires occlusaux générés par les OAM, ou la préparation orthodontique pré-chirurgicale. Le traitement précoce des endognathies maxillaires et des rétromandibulies offre également des perspectives pour certains groupes de patients apnéiques, notamment quand il existe un contexte familial de SAOS.

Wenn ein Chirurg heutzutage während der Operation Informationen aus der Patientenakte benötigt, ist er gezwungen, sich entweder unsteril zu machen oder Personal anzuweisen, ihm die entspre-chenden Informationen zugänglich zu machen. Aus technischer Sicht ist ein System zur intraoperati-ven Bedienung und Darstellung sehr einfach zu realisieren. Grundlage dafür ist eine elektronische Patientenakte (EPA), welche beispielsweise softwaregenerierten oder eingescannten Dokumenten verwaltet. Die vorliegende Arbeit widmet sich den folgenden Fragen: Wird ein solches System im Operationssaal sinnvoll genutzt? Welche Methoden zur sterilen Bedienung kommen infrage? Wie muss die grafische Darstellung auf den Operationssaal abgestimmt werden? Kann durch das Imple-mentieren aktueller Kommunikationsstandards auf alle verfügbaren Patientendaten zugegriffen werden? Dazu wurden in einer ambulanten HNO-Klinik zwei Pilotstudien durchgeführt. In der ersten Studie wurde das erste auf dem Markt befindliche kommerzielle Produkt „MI-Report“ der Firma Karl Storz evaluiert, welches per Gestenerkennung bedient wird. Für die zweite Studie wurde ein EPA-System entwickelt (Doc-O-R), welches eine Vorauswahl der angezeigten Dokumente in Abhängigkeit des Eingriffs traf und mit einem Fußschalter bedient werden konnte. Pro System wurden ca. 50 Eingriffe dokumentiert. Dabei wurde jedes angesehene Dokument und der Nutzungsgrund protokolliert. Die Systeme wurden durchschnittlich mehr als einmal pro Eingriff genutzt. Die automatische Vorauswahl der Dokumente zur Reduzierung der Interaktionen zeigte sehr gute Ergebnisse. Da das behandelte Thema noch in den Anfängen steckt, wird in der Arbeit am Ende auf die Vielzahl von Möglichkeiten eingegangen, welche bezüglich neuartiger Darstellungsmethoden, Bedienvorrich-tungen und aktueller Standardisierungsaktivitäten noch realisiert werden können. Dadurch werden zukünftig auch die Abläufe in der Chirurgie beeinflusst werden.

Thèse doctorat : Automatique Industrielle : Villeurbanne, INSA : 2005. / Thèse rédigée en anglais. Résumé étendu en français. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 155-167.

Die Osteoporose ist charakterisiert durch einen progressiven Verlust an Knochengewebe und ist eine der häufigsten Komplikationen des Alters. Schätzungen zufolge sind weltweit etwa 200 Millionen Menschen an Osteoporose erkrankt, dies führte auch zur Aufnahme der Osteoporose in die WHO-Liste der 10 wichtigsten Volkskrankheiten. In einer Studie aus dem Jahr 2007 wurden die jährlichen Kosten für die Folgen dieser Erkrankung in Deutschland mit 5,4 Milliarden Euro beziffert. Osteoporose bedeutet vermehrter Knochenabbau. Ursachen sind u.a. postmenopausaler Estrogenmangel, der wiederum dazu führt, dass sich die Lebenszeit der für die Knochenresorption zuständigen Osteoklasten verlängert, während die Lebenszeit der knochenproduzierenden Osteoblasten verkürzt wird. Außerdem sind die verringerten mechanischen Reize am Knochen durch fehlende körperliche Bewegung und ein endemischer Vitamin-D-Mangel, unter dem ein Großteil der Weltbevölkerung leidet, als ursächlich für das Auftreten von Osteoporose zu nennen. Ziel dieser Arbeit ist es, herauszufinden, ob eine vertikale Ganzkörpervibrationstherapie in Kombination mit einer Gabe von Strontiumranelat oder Parathormon zu einer verbesserten Knochenstruktur im osteoporotischen Rattenfemur führt. Zu diesem Zweck werden die Femora der Ratten nach Ganzkörpervibration und/oder medikamentöser Therapie mit Strontiumranelat oder Parathormon untersucht. Nach der Tötung der Ratten wird die biomechanische Stabilität des Femur einem biomechanischen Kompressionstest unterzogen. Anschließend wird der jeweilige prozentuale Gehalt von Kalzium, Phosphat und Strontiumranelat im Knochen gemessen, um den Einfluss der Vibration in Kombination mit Strontiumranelat oder PTH auf diese Parameter zu erfassen. Abschließend erfolgt die mikroradiographische Untersuchung der Knochen, um die Veränderungen der Knochenstruktur im Bereich der Kortikalis und im trabekulären Netzwerk zu erfassen. Den Ergebnissen zufolge konnte nur durch die Gabe von Parathormon eine signifikante Verbesserung der Knochenstruktur erreicht werden, die die Bruchfestigkeit der osteoporotischen Knochen signifikant erhöhte. Strontiumranelat führte in diesem Experiment zu keiner Verbesserung der Knochenqualität. Letztlich sind weitere Studien erforderlich, um effektive Dosen und Therapiezeiträume zu ermitteln. Der Vergleich der Wirksamkeit zwischen Parathormon und Strontiumranelat zeigte, dass Parathormon schneller zu Therapieerfolgen führt als eine alleinige Therapie mit Strontiumranelat. Durch die Ganzkörpervibration konnten Verbesserungen der Knochenstruktur detektiert werden. Die Kombination aus medikamentöser Therapie mit Ganzkörpervibration zeigte keine signifikanten Therapieerfolge im Vergleich zur alleinigen Therapie mit Parathormon.

Background: The clinical outcome of hip resurfacing (HR) as a demanding surgical technique associated with a substantial learning curve depends on the position of the femoral component. The aim of the study was to investigate the effects of the level of surgical experience on computer-assisted imageless navigation concerning precision of femoral component positioning, notching, and oversizing rate, as well as operative time. Methods: Three surgeons with different levels of experience in both HR and computer-assisted surgery (CAS) prepared the femoral heads of 54 synthetic femurs using the Durom TM Hip Resurfacing (Zimmer, Warsaw, IN, USA) system. Each surgeon prepared a total of 18 proximal femurs using the Navitrack® system (ORTHOsoft Inc., Montreal, Canada) or the conventional free-hand Durom TM K-wire positioning jig. The differences between planned and postoperative stem shaft angle (SSA) and anteversion angle in standardized x-rays were measured and the operative time, not including the time for calibrating the CAS-system, was documented. Notching was evaluated by the three surgeons in a randomized manner. Oversizing was determined by the difference of the preoperative determined cap and the cap size advised by the CAS-system. Results: CAS significantly reduced the overall mean deviation between planned and postoperative SSA in comparison with the conventional procedure (mean ± SD, 1 ± 1.7° vs. 7.4 ± 4.4°, P <0.01) regardless of the surgeon’s level of experience. The incidence of either varus or valgus SSA deviations exceeding 5° were 1/27 for CAS and 15/27 for the conventional method, respectively (P<0.001), corresponding to a reduction by 97%. Using CAS, the rate of notching was reduced by 100%. Conclusions: The accuracy of femoral HR component orientation is significantly increased by use of CAS regardless of the surgeon’s level of experience in our preclinical study. Thus, imageless computer-assisted navigation can be a valuable tool to improve implant positioning in HR for surgeons at any stage of their learning curve.